JP2011044536A

JP2011044536A - 熱処理装置の温度制御方法

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Publication number: JP2011044536A
Application number: JP2009190876A
Authority: JP
Inventors: Hideto Yamaguchi; 英人山口; Kazuo Tanaka; 和夫田中; Minoru Nakano; 稔中野; Masaaki Ueno; 正昭上野
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2011-03-03

Abstract

【課題】高精度で且つ制御性能が高い温度制御を行うことができる熱処理装置の温度制御方法を提供する。
【解決手段】第１のＰＩＤ演算要素と第２のＰＩＤ演算要素とでカスケード制御を行う温度コントローラを有する熱処理装置の温度制御方法において、第１のＰＩＤ演算要素の第１の操作量の上下限判定範囲を、炉内温度が目標値に一致しているときの該第１の操作量の値を基準に正負両側に略同じ値である範囲とし、かつ第１のＰＩＤ演算要素で計算された第１の操作量がその上限値を超えたと判定されたときは該第１の操作量が前記上下限判定範囲の上限値になる分だけ前記第１のＰＩＤ演算要素の積分操作量を増加させ、その下限値を下回ったと判定されたときは該第１の操作量が前記上下限判定範囲の下限値になる分だけ積分操作量を減少させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、基板を熱処理する温度制御方法に関し、特に、基板をバッチ処理する拡散装置やＣＶＤ装置などの熱処理装置の温度制御方法に関する。

縦型拡散装置や縦型ＣＶＤ装置など、基板として例えば多数のウェハを処理する熱処理装置では、炉内、特に熱処理する半導体ウェハが置かれる領域の温度を均一に精度よく制御する必要がある。対象とする熱処理装置は、例えば図７に示されるように、被処理体となる多数のウェハ１を熱処理するための反応室を区画形成する反応管２と、それぞれ上下方向に配列され且つ反応管２を周囲から熱するヒータ３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄとを有している。ヒータ３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄの近傍には、それぞれヒータ３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄの温度を計測する第１の温度センサ４ａ、４ｂ、４ｃ及び４ｄが配置され、反応管２の内部にはヒータ３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄの高さ位置にそれぞれ対応して反応室内の温度を検出する第２の温度センサ５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄが配置されている。

第１の温度センサ４ａ、４ｂ、４ｃ及び４ｄと第２の温度センサ５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄに温度コントローラ７が接続され、温度コントローラ７に各温度センサにおける目標温度を設定するための温度設定部６が接続されると共に温度コントローラ７からの制御出力に従ってヒータ３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄへ電力を供給する電力制御部８が接続されている。温度コントローラ７は、第１の温度センサ４ａ、４ｂ、４ｃ及び４ｄと第２の温度センサ５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄにより計測された温度と温度設定部６における目標温度からヒータ３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄが出力すべき電力を個別に指示するためのものである。

熱処理の対象となる多数のウェハ１は、炉口キャップ１０に固定されたボート９上に縦列に載せられている。炉口キャップ１０は、図示しない昇降エレベータによって上下方向に移動可能であり、上方への移動によりボート９に載せられている多数のウェハ１を炉内すなわち反応室内へ投入しつつ反応管２の下部を閉塞し、下方への移動によりボート９に載せられている多数のウェハ１を反応室から引き出すことができる。反応室は、通常、反応管２内部の空間を指すが、装置によっては、反応管２とヒータ３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄとの間に均熱管が配置されており、第２の温度センサ５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄが反応管２と均熱管の間に位置することもあり、その場合は、均熱管内部を反応室とすることもある。

次に、図８及び図９を用いて熱処理装置で行われる成膜処理の一例について説明する。図８は、熱処理装置で行われる成膜処理のうち温度に関する処理の一例を示すフローチャートであり、図９は、炉内の温度変化を概略的に示したものである。図９に記されている符合Ｓ１〜Ｓ６は、図８の各ステップＳ１〜Ｓ６が行われていることを示している。

ステップＳｌは、炉内の温度を比較的低い温度Ｔ０に安定させる処理である。ステップＳｌではウェハ１はまだ炉内に挿入されていない。ステップＳ２は、ボート９に保持されたウェハ１を炉内へ挿入する処理である。ウェハ１の温度は、この時点で炉内の温度Ｔ０より低いので、ウェハ１を炉内へ挿入した結果、炉内の温度は一時的にＴ０より低くなるが、温度コントローラ７及び電力制御部８により炉内の温度は若干の時間を経て再び温度Ｔ０に安定する。

ステップＳ３は、温度Ｔ０からウェハ１に成膜処理を施すための目標温度Ｔ１まで、徐々に炉内の温度を上昇させる処理である。ステップＳ４は、ウェハ１に成膜処理を施すために炉内の温度を目標温度Ｔ１で維持して安定させる処理である。ステップＳ５は、成膜処理終了後に温度Ｔ１から再び比較的低い温度Ｔ０まで徐々に炉内の温度を下降させる処理である。ステップＳ６は、成膜処理が施されたウェハ１をボート９と共に炉内から引き出す処理である。成膜処理を施すべき未処理のウェハ１が残っている場合には、ボート９上の処理済ウェハ１が未処理のウェハ１と入れ替えられ、これらステップＳ１〜Ｓ６の一連の処理が繰り返される。

ステップＳ１〜Ｓ６の処理は、いずれも、温度設定部６からの目標温度に対し、炉内温度が予め定められた微小温度範囲にあり、且つ予め定められた時間だけその状態が続くといった安定状態を得た後、次のステップへ進むようになっている。あるいは、最近では、一定時間でのウェハ１の成膜処理枚数を大きくすることを目的として、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ５、Ｓ６等においては安定状態を得ずして次のステップへ移行することも行われている。

ここで、温度コントローラ７の構成について説明する。図１０に示すように、温度コントローラ７では、ＣＰＵ７１２が制御アルゴリズムに従ってプログラム７２６を実行する。温度コントローラ７の内部では、バス７１４に通信ＩＦ７１６及びパルス出力回路７１８が接続されている。ＣＰＵ７１２は、通信ＩＦ７１６を介して温度設定部６と通信し、目標温度を受信することができると共に、パルス出力回路７１８を介して制御信号を電力制御部８へ出力することができるように構成されている。

バス７１４には、温度入力回路７２２及びパルス入力回路７２４が接続され、温度入力回路７２２を介して炉内温度とヒータ温度、パルス入力回路７２４を介して同期パルスをそれぞれデジタル信号化して受信することができる。さらに、バス７１４に接続されたメモリに、制御プログラム７２６、制御パラメータ７２８、位相変換テーブル７３０がそれぞれ記憶されている。バス７１４には、表示・入力装置７２０を接続することが可能であり、制御パラメータ等を表示・入力することができる。

制御パラメータ７２８の内容は、制御アルゴリズムが後述するカスケード制御である場合には、図１１に示されるように、少なくとも第１のＰＩＤパラメータと第２のＰＩＤパラメータが用意されている。図１１中の制御パラメータ７２８に示されるゾーンａは、ヒータ３ａと第１の温度センサ４ａと第２の温度センサ５ａに関連する制御演算についてのパラメータを表し、以下ゾーンｂ、ゾーンｃ、ゾーンｄも同様である。位相変換テーブル７３０は、制御演算によって得られたヒータ３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄへの電力供給値（０〜１００％）から、電力制御部８へのゲートパルスの遅延位相を求めるための変換テーブルである。

このような基板処理装置の温度コントローラ７の内部で行われる制御方法としては、通常、図１２に示されるような、いわゆるカスケード制御が用いられている。図１２では、温度設定部６と温度コントローラ７と電力制御部８との接続が示され、さらに温度コントローラ７の内部については、制御出力の演算方法についてブロック図で表されている。入力端Ｓには、温度設定部６からの目標温度が入力される。

目標温度及び入力端Ｓは、実際には第２の温度センサ５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄの個数分だけ存在し、それに対応して温度コントローラ７は、図１２の破線内部の構成要素が第２の温度センサ５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄと同数だけ存在するが、図１２では、簡単のため一つだけ図示している。同様に、入力端Ｆ、入力端Ｈ、入力端Ｃ及び出力端Ｐも実際には、第２の温度センサ５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄと同数だけ存在するが、簡単のため一つだけ図示している。入力端Ｆには、第２の温度センサ５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄからの炉内温度が入力される。入力端Ｈには、第１の温度センサ４ａ、４ｂ、４ｃ及び４ｄからのヒータ温度が入力される。

温度コントローラ７の内部では、第１の減算要素７００、第１のＰＩＤ演算要素７０２、第２の減算要素７０４、第２のＰＩＤ演算要素７０６が直列に並び、いわゆるカスケード制御に従う制御演算が行われている。

まず、第１の減算要素７００では、入力端Ｓからの目標温度と入力端Ｆからの炉内温度との差（偏差）を算出する。
第１のＰＩＤ演算要素７０２ではＰＩＤ演算し、第１の操作量ｃｙ１を出力するようになっている。
第１のＰＩＤ演算要素７０２はさらに詳しく図に示すと、図１４のようになる。なお、図１４において、ＣＰは比例操作量出力部、ＣＤは微分操作量出力部、ＭＣＥは出力保持要素、ＣＩは積分操作量出力部、ＭＣＩは出力保持要素、ＣＹは第１の操作量出力部を示している。図１４において、第１の減算要素７００からの偏差ｃｅが、比例操作量出力部ＣＰ、微分操作量出力部ＣＤ、出力保持要素ＭＣＥ、積分操作量出力部ＣＩの各要素に入力される。比例操作量出力部ＣＰはＭＰＢパラメータと偏差ｃｅを入力して次式１を（１）を実行し比例操作量ｃｙｐを出力する。

ｃｙｐ＝１００ｃｅ／ＭＰＢ（１）

（１）式において、ＭＰＢは第１のＰＩＤ演算要素用の比例パラメータであり、制御パラメータ７２８（図１０）に記録されている値である。微分操作量出力部ＣＤはＭＰＢ、ＭＴＤパラメータ、偏差ｃｅ、前回の偏差ｃｅ_oldを入力して次式（２）を実行し微分操作量ｃｙｄを出力する。

ｃｙｄ＝（１００／ＭＰＢ）・（ＭＴＤ／Ｔｓ）・（ｃｅ−ｃｅ_old）（２）

（２）式において、ＭＰＢ、ＭＴＤは第１のＰＩＤ演算要素用のそれぞれ比例、微分時間パラメータであり、制御パラメータ７２８（図１０）に記録されている値である。Ｔｓはサンプリング周期である。
出力保持要素ＭＣＥは、前回の偏差ｃｅ_oldを出力する。サンプリング周期でその出力を更新する。
積分操作量出力部ＣＩはＭＰＢ、ＭＴＩパラメータ、偏差ｃｅ、前回の積分操作量ｃｙｉ_oldを入力して次式（３）を実行し積分操作量ｃｙｉを出力する。

ｃｙｉ＝ｃｙｉ_old＋（１００／ＭＰＢ）・（Ｔｓ／ＭＴＩ）・ｃｅ（３）

（３）式において、ＭＰＢ、ＭＴＩは第１のＰＩＤ演算要素用のそれぞれ比例、積分時間パラメータであり、制御パラメータ７２８（図１０）に記録されている値である。Ｔｓはサンプリング周期である。

出力保持要素ＭＣＩは、前回の積分操作量ｃｙｉ_oldを出力する。サンプリング周期でその出力を更新する。第１の操作量出力部ＣＹは、比例操作量出力部ＣＰ、微分操作量出力部ＣＤ、積分操作量出力部ＣＩからその演算結果を入力し、次式（４）を実行して第１の操作量ｃｙ１を出力する。

ｃｙ＝ｃｙｐ＋ｃｙｉ＋ｃｙｄ（４）

図１２に戻り、後段に続く第１のリミッタ７０３では、第１の操作量ｃｙ１を予め設定されている範囲に制限し、入力端Ｈからのヒータ温度に対する目標温度に変換している。第１の操作量ｃｙ１の制限範囲は後述する第２のリミッタ７０８と同様に０〜１００％とし、ヒータ温度の制御可能温度範囲である０〜１４００℃へ変換する。
第２の減算要素７０４では、目標温度変換部（第１のリミッタ７０３）からのヒータ温度に対する目標温度と入力端Ｈからのヒータ温度との差を算出する。

第２のＰＩＤ演算要素７０６では、前述した第１のＰＩＤ演算７０２と同様の計算を行い第２の操作量ｃｙ２を出力するようになっている。なお、かかる構成を機能ブロック図により表すと図１４に示すようになる。そこで使用されているＰＩＤパラメータは制御パラメータ７２８（図１０）から第２のＰＩＤ演算用に記録されているパラメータを使用する。

後段に続く第２のリミッタ７０８では、第２の操作量ｃｙ２をヒータ３（図７）が出力可能な予め設定されている範囲に制限し、ヒータ３への電力供給値としている。リミッタ７０８の出力は、ヒータ３の最大出力（ヒータ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの最大出力はそれぞれ異なる）からの割合とし、０〜１００％で制限している。

続く後段の位相変換要素７１０では、電力制御部８からの同期パルスを入力端Ｃに入力し、位相変換テーブル７３０（図１０）を参照して、ヒータ３へ供給する電力量が０〜１００％の電力供給値に対応するように位相を遅延させたゲートパルスを出力し、電力制御部８から供給される電力を制御するようになっている。

図１３は、電力制御部８の内部にある交流電源と、同期パルス、ゲートパルス、そしてヒータ３（図７）への負荷電力との関係を、タイミングチャートで示したものである。リミッタ７０８の出力（電力供給値０〜１００％）が１００％のときは、図１３（ｃ）のように、ゲートパルスを同期パルスから遅延させない（実際には交流電源にノイズがあることから、ノイズを考慮してわずかに位相を遅延させる）。その結果、図１３（ｅ）の網掛け部分のように、交流電源からの全電力がヒータ３へ供給されることになる。リミッタ７０８の出力が２０％のときは、図１３（ｄ）のように、ゲートパルスを２０％に対応する位相だけ遅延させる。その結果、図１３（ｆ）の網掛け部分のように、交流電源からの全電力の２０％がヒータ３へ供給されることになる。

以上のような温度コントローラ７の構成により、十分早いサンプリング周期で演算を行い、ヒータ３（図７）へ供給される電力を調節することによって、図８によって例示した温度制御をするようになっている。

しかしながら、上記の温度コントローラ７および制御方法では、第１のＰＩＤ演算要素７０２の積分操作量ｃｙｉによっては第２の操作量ｃｙ２がその可動範囲を大きく超えることがあり、炉内温度を速やかに安定させることができなくなるという問題があった。そこで、上記実情に鑑みて、これまで幾つかの工夫がなされており、例えば下記特許文献が知られている。

ここで、特許文献１によれば、第二の操作量が予め設定された範囲であるか判定して、前記範囲外であれば、第一の操作量に代えて、前記範囲内であったときに記憶した適切な操作量を第２の制御系に出力することが記載されている。
特許文献２によれば、制御対象の制御量が目標値に一致しているときの制御対象への制御出力信号を基準値として、この基準値から正負両側に略同じ値であるように設定される出力制御部の範囲を超えた場合に、積分操作量を停止させることが記載されている。

特許３２６９８９４特許４０７０３６９

しかしながら、入力端Ｆからの炉内温度が目標温度を超えてオーバーシュートしてしまった場合であっても、そのときに第１のＰＩＤ演算要素７０２の積分操作量ｃｙｉが大きいと入力端Ｈからのヒータ温度に対する目標温度が大きな値になってしまい、炉内温度のオーバーシュートがさらに大きくなってしまうということがあった。更に、目標温度に対してアンダーシュートが発生した場合、単に積分操作量を停止するのでは、パワーが小さくなりすぎて、アンダーシュートが益々大きくなってしまう恐れがあった。結果として、目標温度に安定させるのに時間がかかってしまう。

この発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、高精度で且つ制御性能が高い温度制御を行うことができる熱処理装置の温度制御方法を提供することを目的とする。

この発明に係る熱処理装置の温度制御方法は、第１のＰＩＤ演算要素と第２のＰＩＤ演算要素とでカスケード制御を行う温度コントローラを有する熱処理装置の温度制御方法において、第１のＰＩＤ演算要素の第１の操作量の上下限判定範囲を、炉内温度が目標値に一致しているときの該第１の操作量の値を基準に正負両側に略同じ値である範囲とし、かつ、第１のＰＩＤ演算要素で計算された第１の操作量がその上限値を超えたと判定されたときは操作量がちょうどその（前記上下限判定範囲の）上限値になる分だけ積分操作量を増加させ、その下限を下回ったと判定されたときは操作量が前記上下限判定範囲の下限値になる分だけ積分操作量を減少させることを特徴とする熱処理装置の温度制御方法にある。

なお、明細書及び図面には、基板などの被処理体を反応容器内に収納し熱処理を行う熱処理装置において、第１の減算要素と第１のＰＩＤ演算要素と第１のリミッタと第２の減算要素と第２のＰＩＤ演算要素と第２のリミッタと位相変換要素とで構成される温度コントローラを有し、第１のＰＩＤ演算要素の第１の操作量の上下限判定範囲を、炉内温度が目標値に一致しているときの該第１の操作量の値を基準に正負両側に略同じ値である範囲とし、かつ、第１のＰＩＤ演算要素で計算された第１の操作量がその上限を超えたと判定されたときは操作量が前記上下限判定範囲の上限値になる分だけ積分操作量を増加させ、その下限を下回ったと判定されたときは操作量が前記上下限判定範囲の下限値になる分だけ積分操作量を減少させることを特徴とする熱処理装置が開示されている。

また、明細書及び図面には、被処理体を反応容器内に収納し熱処理を行う熱処理装置において、第１の減算要素と第１のＰＩＤ演算要素と第１のリミッタと第２の減算要素と第２のＰＩＤ演算要素と第２のリミッタと位相変換要素とで構成される温度コントローラを有し、第２のＰＩＤ演算要素の第２の操作量の上下限判定範囲を、炉内温度が目標値に一致しているときの該第２の操作量の値を基準に正負両側に略同じ値である範囲とし、かつ、第２のＰＩＤ演算要素で計算された第２の操作量がその上限値を超えたと判定されたときは操作量が前記上下限判定範囲の上限値になる分だけ積分操作量を増加させ、その下限を下回ったと判定されたときは操作量が前記上下限判定範囲の下限値になる分だけ積分操作量を減少させることを特徴とする熱処理装置の温度制御方法と温度制御装置が開示されている。

また、上記温度制御方法と温度制御装置を半導体製造装置に適用して、基板としての半導体基板が製造され、またＬＣＤ装置に適用してガラス基板が製造される。すなわち、被処理体を反応容器内に収納し熱処理を行う被処理体の製造方法において、第１の減算要素と第１のＰＩＤ演算要素と第１のリミッタと第２の減算要素と第２のＰＩＤ演算要素と第２のリミッタと位相変換要素とで構成される温度コントローラを有し、第２のＰＩＤ演算要素の第２の操作量の上下限判定範囲を、炉内温度が目標値に一致しているときの該第２の操作量の値を基準に正負両側に略同じ値である範囲とし、かつ、第２のＰＩＤ演算要素で計算された第２の操作量がその上限値を超えたと判定されたときは操作量が前記上下限判定範囲の上限値になる分だけ積分操作量を増加させ、その下限を下回ったと判定されたときは操作量が前記上下限判定範囲の下限値になる分だけ積分操作量を減少させて被処理体を製造する製造方法が開示されている。

また、基板などの被処理体を反応容器内に収納し熱処理を行う熱処理装置において、第１の減算要素と第１のＰＩＤ演算要素と第１のリミッタと第２の減算要素と第２のＰＩＤ演算要素と第２のリミッタと位相変換要素とで構成される温度コントローラを有し、第１のＰＩＤ演算要素の第１の操作量の上下限判定範囲を、炉内温度が目標値に一致しているときの該第１の操作量の値を基準に正負両側に略同じ値である範囲とし、かつ、第１のＰＩＤ演算要素で計算された第１の操作量がその上限値を超えたと判定されたときは操作量が前記上下限判定範囲の上限値になる分だけ積分操作量を増加させ、その下限を下回ったと判定されたときは操作量が前記上下限判定範囲の下限値になる分だけ積分操作量を減少させるとともに、第２のＰＩＤ演算要素の第２の操作量の上下限判定範囲を、炉内温度が目標値に一致しているときの該第２の操作量の値を基準に正負両側に略同じ値である範囲とし、かつ、第２のＰＩＤ演算要素で計算された第２の操作量がその上限値を超えたと判定されたときは操作量が前記上下限判定範囲の上限値になる分だけ積分操作量を増加させ、その下限を下回ったと判定されたときは操作量が前記上下限判定範囲の下限値になる分だけ積分操作量を減少させることを特徴とする熱処理装置とその温度制御方法が開示されている。

さらに、明細書及び図面には、被処理体を反応容器内に収納し熱処理を行う熱処理装置において、第１の減算要素と第１のＰＩＤ演算要素と第１のリミッタと第２の減算要素と第２のＰＩＤ演算要素と第２のリミッタと位相変換要素とで構成される温度コントローラを有し、第２のＰＩＤ演算要素の第２の操作量の上下限判定範囲を、炉内温度が目標値に一致しているときの該第２の操作量の値を基準に正負両側に略同じ値である範囲とし、かつ、第２のＰＩＤ演算要素において第２の操作量がその上下限値範囲を超えたと判定されたときに第１のＰＩＤ演算要素での積分操作を停止することを特徴とする熱処理装置が開示されている。

この発明によれば、高精度で且つ制御性能が高い温度制御を行うことができる熱処理装置の温度制御方法を提供することができる。

この発明の実施の形態に係る熱処理装置の構成を示す断面図である。実施の形態で用いられた温度コントローラの構成を示すブロック図である。実施の形態で用いられた温度コントローラの内部の制御ブロック図である。第１の演算要素および第２の演算要素を示すブロック図である。図４に示した積分操作量出力部ＭＩの処理を温度制御方法として示すフローチャートである。図４に示した積分操作量出力部ＳＩの処理を温度制御方法として示すフローチャートである。従来の熱処理装置の構成を示す断面図である。熱処理装置で行われる温度制御手順を示すフローチャートである。炉内の温度変化を概略的に示すグラフである。従来の熱処理装置で用いられた温度コントローラの構成を示すブロック図である。制御パラメータの数値例を示す図である。従来の熱処理装置で用いられた温度コントローラの内部の制御ブロック図である。交流電源と負荷電力の関係を示すタイミング図である。従来の温度コントローラの内部の制御ブロック図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に実施の形態に係る熱処理装置の構成を示す。この熱処理装置は、図７に示した従来の熱処理装置において、温度コントローラ７の代わりに温度コントローラ１７を用いたものである。すなわち、温度設定部６と電力制御部８の間に温度コントローラ１７を接続すると共に、温度コントローラ１７に第１の温度センサ４ａ、４ｂ、４ｃ及び４ｄと第２の温度センサ５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄが接続されている。

温度コントローラ１７の構成を図２に示す。温度コントローラ１７は、図１０に示した温度コントローラ７において、バス７１４に接続されているメモリに制御プログラム７２６Ａと制御パラメータ７２８Ａを記憶したものであり、他の構成は温度コントローラ７と同様である。

図３は、温度コントローラ１７の内部で行われる制御方法を示す制御ブロック図である。この制御ブロック図は、図１２に示した従来の温度コントローラ７の制御ブロック図において、第１のＰＩＤ演算要素７０２、第２のＰＩＤ演算要素７０６の代わりに、それぞれ、第１のＰＩＤ演算要素１０２、第２のＰＩＤ演算要素１０６を配置したものである。

図４は、第１のＰＩＤ演算要素１０２、第２のＰＩＤ演算要素１０６をより詳しいブロック図で示したものである。なお、図４において、ＭＰは比例操作量出力部、ＭＤは微分操作量出力部、ＭＩＵＳは上限飽和型積分操作量出力部、ＭＩＬＳは下限飽和型積分操作量出力部、ＭＭＥ、ＭＭＩ、ＭＭＣ、ＭＳＥ、ＭＳＩ、ＭＳＣは出力保持要素（メモリ）、ＭＩは積分操作量出力部、ＭＹは第１の操作量出力部、ＭＣＭＰは判定部、ＳＰは比例操作量出力部、ＳＤは微分操作量出力部、ＳＩＵＳは上限飽和型積分操作量出力部、ＳＩＤＳは下限飽和型積分操作量出力部、ＳＩは積分操作量出力部、ＳＹは第２の操作量出力部、ＳＣＭＰは判定部である。

まず、第１の減算要素７００からの偏差ｍｅが、比例操作量出力部ＭＰ、微分操作量出力部ＭＤ、出力保持要素ＭＭＥ、積分操作量出力部ＭＩの各要素に入力される。
比例操作量出力部ＭＰはＭＰＢパラメータと偏差ｍｅを入力して式（１）と同様な計算を実行し比例操作量ｍｙｐを出力する。

微分操作量出力部ＭＤは、ＭＰＢ、ＭＴＤパラメータ、偏差ｍｅ、前回の偏差ｍｅ_oldを入力して式（２）と同様な計算を実行し微分操作量ｍｙｄを出力する。
上限飽和型積分操作量出力部ＭＩＵＳは、比例操作量ｍｙｐ、微分操作量ｍｙｄおよび前回の積分操作量ｍｙｉ_oldを入力し、次式（５）に従って、上限飽和型積分操作量ｍｙｉ_usを出力する。

ｄｍｙｉ_us＝ＬＩＭ_up−（ｍｙｐ＋ｍｙｄ＋ｍｙｉ_old）
ｍｙｉ_us＝ｍｙｉ_old＋ｄｍｙｉ_us
（５）

但し、ＬＩＭ_upは後述する判定部ＭＣＭＰの上限判定値である。
下限飽和型積分操作量出力部ＭＩＬＳは、比例操作量ｍｙｐ、微分操作量ｍｙｄおよび前回の積分操作量ｍｙｉ_oldを入力し、次式（６）に従って下限飽和型積分操作量ｍｙｉ_lsを出力する。

ｄｍｙｉ_ls＝ＬＩＭ_low−（ｍｙｐ＋ｍｙｄ＋ｍｙｉ_old）
ｍｙｉ_ls＝ｍｙｉ_old＋ｄｍｙｉ_ls
（６）

但し、ＬＩＭ_lowは後述する判定部ＭＣＭＰの下限判定値である。
積分操作量出力部ＭＩは、図５に示す手順に沿って積分操作量ｍｙｉを出力する。図５については後述する。

第１の操作量出力部ＭＹは、比例操作量ｍｙｐ、微分操作量ｍｙｄ、積分操作量ｍｙｉを入力し、式（４）と同様な計算を実行し、第１の操作量ｍｙを出力する。
判定部ＭＣＭＰは、第１の操作量ｍｙを入力し、第１のリミッタ７０３での制限範囲と同じか、または、より小さい範囲で予め設定された範囲内にあるかどうかを判定する。判定内容は、上限値より大きい、下限値より小さい、または、中間値、の３パターンである。

判定部ＭＣＭＰは、予め設定された範囲を、入力端Ｆからの炉内温度が目標値に一致しているときの第１の操作量ｍｙの値（ｍｙ０）を予め記憶しておき、第１のリミッタ７０３での制限範囲であり、かつ、その値（ｍｙ０）を基準値として、この基準値から正負両側に略同じ値である範囲とする。このときの効果は、特許文献２に記載されている。

出力保持要素ＭＭＥは前回の偏差ｍｅ_oldを、出力保持要素ＭＭＩは前回の積分操作量ｍｙｉ_oldを、出力保持要素ＭＭＣは前回の判定部ＭＣＭＰの判定結果を、それぞれ保持しまたは出力する。サンプリング周期でその保持内容を更新する。

次に、第２のＰＩＤ演算要素１０６について説明する。
第２の減算要素７０４からの偏差ｓｅが、比例操作量出力部ＳＰ、微分操作量出力部ＳＤ、出力保持要素ＭＳＥ、積分操作量出力部ＳＩの各要素に入力される。

比例操作量出力部ＳＰは、ＳＰＢパラメータと、偏差ｓｅを入力して式（１）と同様な計算を実行し比例操作量ｓｙｐを出力する。ＳＰＢパラメータは第２のＰＩＤ演算要素用のＰパラメータとして制御パラメータ７２８（図１１）に記録されている値である。

微分操作量出力部ＳＤはＳＰＢ、ＳＴＤパラメータ、偏差ｓｅ、前回の偏差ｓｅ_oldを入力して式（２）と同様な計算を実行し微分操作量ｓｙｄを出力する。ＳＰＢ、ＳＴＤパラメータは第２のＰＩＤ演算要素用のＰ、Ｄパラメータとして制御パラメータ７２８（図１０）に記録されている値である。

上限飽和型積分操作量出力部ＳＩＵＳは、比例操作量ｓｙｐ、微分操作量ｓｙｄおよび前回の積分操作量ｓｙｉ_oldを入力し、式（５）と同様な計算を実行して上限飽和型積分操作量ｓｙｉ_usを出力する。このときＬＩＭ_upは後述する判定部ＳＣＭＰの上限判定値を用いる。

下限飽和型積分操作量出力部ＳＩＤＳは、比例操作量ｓｙｐ、微分操作量ｓｙｄおよび前回の積分操作量ｓｙｉ_oldを入力し、式（６）と同様な計算を実行して下限飽和型積分操作量ｓｙｉ_lsを出力する。このときＬＩＭ_lowは後述する判定部ＳＣＭＰの下限判定値を用いる。

積分操作量出力部ＳＩは、図６に示す手順に沿って積分操作量ｓｙｉを出力する。図６については後述する。

第２の操作量出力部ＳＹは、比例操作量ｓｙｐ、微分操作量ｓｙｄ、積分操作量ｓｙｉを入力し、式（４）と同様な計算を実行し、第２の操作量ｓｙを出力する。
判定部ＳＣＭＰは、第２の操作量ｓｙを入力し、第２のリミッタ７０８での制限範囲と同じか、または、より小さい範囲で予め設定された範囲内にあるかどうかを判定する。判定内容は、上限値より大きい、下限値より小さい、または、中間値の３パターンである。
判定部ＳＣＭＰは、予め設定された範囲を、入力端Ｆからの炉内温度が目標値に一致しているときの第２の操作量ｓｙの値（ｓｙ０）を予め記憶しておき、第２のリミッタ７０８での制限範囲であり、かつ、その値（ｓｙ０）を基準値として、この基準値から正負両側に略同じ値である範囲とする。このときの効果は、特許文献２に記載されている。

出力保持要素ＭＳＥは前回の偏差ｓｅ_oldを、出力保持要素ＭＳＩは前回の積分操作量ｓｙｉ_oldを、出力保持要素ＭＳＣは前回の判定部ＳＣＭＰの判定結果を、それぞれ保持しまたは出力する。サンプリング周期でその保持内容を更新する。

図５は、上述した積分操作量出力部ＭＩで行われる手順を詳細に示したもので、他の構成要素と同様に、十分短いサンプリング周期で行われる。

まず、Ｓ２００では出力保持要素ＭＳＣに保持されている前回の判定部ＳＣＭＰの判定と、偏差ｍｅの条件分岐処理である。Ｓ２００の第１の分岐はＳ２０２へ続き、Ｓ２００の第２の分岐はＳ２０４へ続く。

Ｓ２００の第１の分岐の第１の条件は、前回の判定部ＳＣＭＰの判定結果が上限値より大きく、かつ、偏差ｍｅが正値の場合である。そして、Ｓ２００の第１の分岐の第２の条件は、前回の判定部ＳＣＭＰの判定結果が下限値より小さく、かつ、偏差ｍｅが負値の場合である。

Ｓ２０２では、今回の積分演算を行わないで、前回の積分操作量ｍｙｉ_oldをそのまま今回の積分操作量ｍｙｉとする。

前回の判定部ＳＣＭＰの判定結果が上限値より大きく、かつ、偏差ｍｅが正値の場合に今回の積分演算を行わない理由は、第２の操作量ｓｙがその上限値にあるときに、積分操作量ｍｙｉすなわちヒータ温度に対する目標値をそれ以上大きくしないためである。それにより、積分操作量ｍｙｉが不必要に大きくなることを防いでいる。

前回の判定部ＳＣＭＰの判定結果が上限値より小さく、かつ、偏差ｍｅが負値の場合に今回の積分演算を行わない理由は、第２の操作量ｓｙがその下限値にあるときに、積分操作量ｍｙｉすなわちヒータ温度に対する目標値をそれ以上小さくしないためである。それにより、積分操作量ｍｙｉが不必要に小さくなることを防いでいる。

Ｓ２００の第２の分岐は、第１の分岐条件以外の場合であり、その場合Ｓ２０４の処理が続く。Ｓ２０４では、ＭＰＢ、ＭＴＩパラメータ、偏差ｍｅ、前回の積分操作量ｍｙｉ_oldを入力して式（３）と同様な計算を実行し積分操作量ｍｙｉを算出する。但し、ＭＰＢ、ＭＴＩは第１のＰＩＤ演算要素用のそれぞれ比例、微分時間パラメータであり、制御パラメータ７２８（図１０）に記録されている値である。Ｔｓはサンプリング周期である。次に、Ｓ２０６では計算した今回の積分操作量ｍｙｉの条件分岐処理である。条件によって、第１の分岐はＳ２０８へ、第２の分岐はＳ２１０へ、そして、それ以外の第３の分岐は終了処理（Ｅｎｄ）へ続く。

Ｓ２０６の第１の分岐の条件は、Ｓ２０４で計算した今回の積分操作量ｍｙｉが判定部ＭＣＭＰの上限値より大きい場合である。Ｓ２０８では、今回の積分演算を行わないで、上限飽和型積分操作量ｍｙｉ_usをそのまま今回の積分操作量ｍｙｉとする（上書き）。この操作をすることにより、積分操作量出力部ＭＩ（図４）に続く第１の操作量出力部ＭＹ（図４）において計算される第１の操作量ｍｙが、ちょうど判定部ＭＣＭＰの上限値になるようにし、そのために必要な量（式（５）のｄｍｙｉ_usにあたる）だけを積分した値を積分操作量とするようにしている。

Ｓ２０６の第２の分岐の条件は、Ｓ２０４で計算した今回の積分操作量ｍｙｉが判定部ＭＣＭＰの下限値より小さい場合である。

Ｓ２１０では、今回の積分演算を行わないで、下限飽和型積分操作量ｍｙｉ_lsをそのまま今回の積分操作量ｍｙｉとする（上書き）。この操作をすることにより、積分操作量出力部ＭＩに続く第１の操作量出力部ＭＹにおいて計算される第１の操作量ｍｙが、ちょうど判定部ＭＣＭＰの下限値になるようにし、そのために必要な量（式（６）のｄｍｙｉ_lsにあたる）だけを積分した値を積分操作量とするようにしている。
最後にＥｎｄ処理において積分操作量ｍｙｉの値が最終決定され第１の操作量出力部ＭＹへ出力される。

図６は、積分操作量出力部ＳＩで行われる手順を詳細に示したもので、他の構成要素と同様に、十分短いサンプリング周期で行われる。

まず、Ｓ３００では、ＳＰＢ、ＳＴＩパラメータ、偏差ｓｅ、前回の積分操作量ｓｙｉ_oldを入力して式（３）と同様な計算を実行し積分操作量ｓｙｉを算出する。但し、ＳＰＢ、ＳＴＩは第２のＰＩＤ演算要素用のそれぞれ比例、微分時間パラメータであり、制御パラメータ７２８（図１０）に記録されている値である。Ｔｓはサンプリング周期である。

次に、Ｓ３０２は計算した今回の積分操作量ｓｙｉの条件分岐処理である。条件によって、第１の分岐はＳ３０４へ、第２の分岐はＳ３０６へ、そして、それ以外の第３の分岐は終了処理（Ｅｎｄ）へ続く。

Ｓ３０２の第１の分岐の条件は、Ｓ３００で計算した今回の積分操作量ｓｙｉが判定部ＳＣＭＰの上限値より大きい場合である。

Ｓ３０４では、今回の積分演算を行わないで、上限飽和型積分操作量ｓｙｉ_usをそのまま今回の積分操作量ｓｙｉとする（上書き）。この操作をすることにより、積分操作量出力部ＳＩ（図４）に続く第２の操作量出力部ＳＹ（図４）において計算される第２の操作量ｓｙが、ちょうど判定部ＳＣＭＰの上限値になるようにし、そのために必要な量（式（５）のｄｍｙｉ_usにあたる）だけを積分した値を積分操作量とするようにしている。

Ｓ３０２の第２の分岐の条件は、Ｓ３００で計算した今回の積分操作量ｓｙｉが判定部ＳＣＭＰの下限値より小さい場合である。

Ｓ３０６では、今回の積分演算を行わないで、下限飽和型積分操作量ｓｙｉ_lsをそのまま今回の積分操作量ｓｙｉとする（上書き）。この操作をすることにより、積分操作量出力部ＳＩに続く第２の操作量出力部ＳＹにおいて計算される第２の操作量ｓｙが、ちょうど判定部ＳＣＭＰの下限値になるようにし、そのために必要な量（式（６）のｄｍｙｉ_lsにあたる）だけを積分した値を積分操作量とするようにしている。

最後にＥｎｄ処理において積分操作量ｓｙｉの値が最終決定され、第２の操作量出力部ＳＹへ出力される。

以上のように構成することにより、第１のＰＩＤ演算要素１０２の第１の操作量ｍｙの上下限判定範囲を、入力端Ｆからの炉内温度が目標値に一致しているときの操作量ｍｙを基準に正負両側に略同じ値である範囲とすることにより、第１のＰＩＤ演算要素１０２積分操作量ｍｙｉを適切な値の範囲に限定させることができる。

また、更に／或いは、第２のＰＩＤ演算要素１０６の第２の操作量ｓｙの上下限判定範囲を、入力端Ｆからの炉内温度が目標値に一致しているときのｓｙの値を基準に正負両側に略同じ値である範囲とすることにより、第２のＰＩＤ演算要素１０６の積分操作量ｓｙｉを適切な値の範囲に限定させることができる。

また、更に／或いは、第２のＰＩＤ演算要素１０６の判定部ＳＣＭＰにおいて、第２の操作量ｓｙがその上下限値範囲を超えたと判定されたときに第１のＰＩＤ演算要素１０２での積分操作量出力部ＭＩの積分操作を停止することにより、積分操作量ｍｙｉの不要な増加・減少を防止することができる。

更に／或いは、第１のＰＩＤ演算要素１０２で計算された第１の操作量ｍｙが、判定部ＭＣＭＰによりその上限値を超えたと判定されたときは、操作量ｍｙがちょうど判定部ＭＣＭＰの上限値になる分だけ積分操作量ｍｙｉを増加させ、判定部ＭＣＭＰによりその下限を下回ったと判定されたときは、操作量ｍｙがちょうど判定部ＭＣＭＰの下限値になる分だけ積分操作量ｍｙｉを減少させることによって、積分操作量ｍｙｉを速やかに適正値になるように演算処理することができる。

更に／或いは、第２のＰＩＤ演算要素１０６で計算された第２の操作量ｓｙが、判定部ＳＣＭＰによりその上限値を超えたと判定されたときは、操作量ｓｙがちょうど判定部ＳＣＭＰの上限値になる分だけ積分操作量ｓｙｉを増加させ、判定部ＳＣＭＰによりその下限を下回ったと判定されたときは、操作量ｓｙがちょうど判定部ＳＣＭＰの下限値になる分だけ積分操作量ｓｙｉを減少させることによって、積分操作量ｓｙｉを速やかに適正値になるように演算処理することができ、高精度でかつ制御性能が高い温度制御方法と温度制御装置を提供することができる。

以上詳細に説明したように、本発明によれば、高精度にかつ高い温度制御性能を実現することができる。

なお、この発明は、半導体製造装置における熱処理装置に限らず、例えばＬＣＤ装置等のガラス基板を熱処理する装置にも適用することができる。また、炉内における処理としては、ＣＶＤ処理、酸化処理、拡散処理、アニール処理等、各種の処理が適用される。また、本実施の形態によれば、これら熱処理装置による被熱処理体の製造方法が開示されている。

１ウェハ、２反応管、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄヒータ、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ第１の温度センサ、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ第２の温度センサ、６温度設定部、８電力制御部、９ボート、１０炉口キャップ、１７温度コントローラ、１０２第１のＰＩＤ演算要素、１０６第２のＰＩＤ演算要素、７００第１の減算要素、７０３第１のリミッタ、７０４第２の減算要素、７０８リミッタ、７１０位相変換要素、７１２ＣＰＵ、７１４バス、７１６通信ＩＦ、７１８パルス出力回路、７２０表示・入力装置、７２２温度入力回路、７２４パルス入力回路、７２６制御プログラム、７２８制御パラメータ、７３０位相変換テーブル、７３２電力供給値変更部。７３４電力供給値変更テーブル、ＭＰ比例操作量出力部、ＭＤ微分操作量出力部、ＭＩＵＳ上限飽和型積分操作量出力部、ＭＩＬＳ下限飽和型積分操作量出力部、ＭＭＥ、ＭＭＩ、ＭＭＣ、ＭＳＥ、ＭＳＩ、ＭＳＣ出力保持要素（メモリ）、ＭＩ積分操作量出力部、ＭＹ第１の操作量出力部、ＭＣＭＰ判定部、ＳＰ比例操作量出力部、ＳＤ微分操作量出力部、ＳＩＵＳ上限飽和型積分操作量出力部、ＳＩＤＳ下限飽和型積分操作量出力部、ＳＩ積分操作量出力部、ＳＹ第２の操作量出力部、ＳＣＭＰ判定部。

Claims

第１のＰＩＤ演算要素と第２のＰＩＤ演算要素とでカスケード制御を行う温度コントローラを有する熱処理装置の温度制御方法において、
第１のＰＩＤ演算要素の第１の操作量の上下限判定範囲を、炉内温度が目標値に一致しているときの該第１の操作量の値を基準に正負両側に略同じ値である範囲とし、かつ第１のＰＩＤ演算要素で計算された第１の操作量がその上限値を超えたと判定されたときは該第１の操作量が前記上下限判定範囲の上限値になる分だけ前記第１のＰＩＤ演算要素の積分操作量を増加させ、その下限値を下回ったと判定されたときは該第１の操作量が前記上下限判定範囲の下限値になる分だけ積分操作量を減少させることを特徴とする熱処理装置の温度制御方法。